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Hochohmiger, hochbelastbarer Widerstand, insbesondere für Hochspannungszwecke
Es sind hochohmige Widerstände bekannt, bei denen eine sogenannte, aus einem fadenförmigen
Isolierstoff, auf den ein Widerstandsdraht als enge Wendel aufgewickelt ist, bestehende
Widerstandskordel als einlagige Spule aufgewickelt ist.
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Es ist auch bekannt, auf einen dünnen bandförmigen Isolierstoffträger
das Widerstandsmaterial als mäanderförmige Schicht aufzubringen. Ebenso ist es an
sich bekannt, Widerstandsdrähte und Widerstandskordeln mäanderförmig einzuweben.
Auch ist es bekannt, diese beiden Widerstandsleiterarten spiralförmig, d. h. mit
anderen Worten so aufzuwickeln, daB Spulen entstehen, bei denen die einzelne Windung
senkrecht über der vorhergehenden liegt. Es sind ferner hochohmige Widerstände bekannt,
bei denen Schichten eines leitenden Stoffes, beispielsweise Metalle, oder Kohle
u. dgl., auf einem starren Isolierstoffträger, beispielsweise Porzellanrohren oder
-stäben, aufgebracht sind. Nach dem Aufbringen der Schicht sind, soweit dies je
nach Art erforderlich ist, die leitenden Schichten dann durch schraubenförmige Einschnitte
so unterteilt, daB sie den Isolierstoff träger in Form eines aufgewickelten Bandes
als einlagige Spule bedecken, um auf diese Weise hohe Widerstandswerte zu erzielen.
Es ist ohne weiteres zu übersehen, daß die Herstellung solcher Widerstände in gröBerenAbmessungen
nicht einfach ist. Insbesondere ist aber die Belastungsmöglichkeit von Widerständen,
bei
denen das Widerstandsmaterial in dünner Schicht auf einem viel dickeren, starren
Isolierstoffträger aufgebracht ist, nicht sehr hoch. Denn in den meisten Fällen
steht die Differenz der Ausdehnungskoeffizienten zwischen der dünnen Widerstandsmaterialschicht
und dem viel dickeren, starren Isolierstoffträger einer hohen Belastbarkeit hindernd
im Wege, so daß gerade bei hochohmigen Werten solcher Dünnschichtwiderstände die
Belastbarkeit pro Quadratzentimeter Oberfläche merklich zurückgeht, weil es zu lange
dauert, bis der Träger wegen seiner größeren Masse auf die Temperatur der Widerstandsmaterialschicht
kommt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hochbelastbare hochohmige
Widerstände, wie sie insbesondere auch für Hochspannungsmeßzwecke gebraucht werden,
herzustellen, die sowohl für Gleichstrom als auch für Wechselstrom weitestgehend
den gleichen wirksamen Widerstandswert aufweisen sollen.
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Es bestand bisher in der Fachwelt die Auffassung, daß eine einlagige
runde Spule zur Lösung dieser der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe nicht geeignet
sei. Hierzu wird beispielsweise hingewiesen auf das ;>.Archiv für technisches Messen«,
Z 111-1,1931 - T 78, S.2, rechte Spalte unter IV »Die verschiedenen ZViderstandsformen«,
wo es unter 1 a) heißt: »Die einfache einlagige Spule hat geringe Kapazität, da
die Potentialdifferenz zwischen zwei Nachbarwindungen klein ist, dagegen ist ihre
Selbstinduktion groß«.
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In dieser Literaturstelle sind triftige Gründe niedergelegt, die zwingend
dazu führten, daß der Fachmann die einfache einlagige runde Spule mit den bisher
bekannten Leitern zur Herstellung von selbstinduktionsarmen Widerständen nicht verwendete,
weil er auf Grund der für die einlagige runde Spule geltenden allgemein bekannten
Formeln erkennen konnte und annehmen mußte, daß sie zur Lösung der der Erfindung
zugrunde liegenden Aufgabe nicht geeignet seien.
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Unter Überwindung dieses Vorurteils gegen die Verwendung der. einfachen,
einlagigen runden Spule zur Herstellung von Widerständen, die sowohl geringe Kapazität
als auch kleine Selbstinduktion aufweisen sollen, wird die der Erfindung zugrunde
liegende Aufgabe dadurch gelöst, daß bei hochbelastbaren hochohmigen Widerständen,
insbesondere für Hochspannungszwecke, die aus einem bandförmigen, biegsamen isolierenden
Träger, auf dem eine Schicht aus Widerstandsmaterial zu einem fortschreitenden Mäander
geformt aufgebracht ist, erfindungsgemäß der Träger mit Schicht in der Fortschreitungsrichtung
des Mäanders zu einer Wendel geformt wird.
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Nach der Erfindung wird also mit anderen Worten ein ganz spezieller
bandförmiger Widerstandsleiter, der mit a bezeichnet sei, zu einer einfachen einlagigen
Spule gewickelt.
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Aus der eingangs aufgezeigten Erkenntnis heraus, daß Widerstände,
bei denen das Widerstandsmaterial in dünner Schicht auf einen viel dickeren, starren
Isolierstoffträger aufgebracht ist, nicht sehr stark belastet werden können, wird
der Träger des Widerstandsmäanders oder, mit anderen Worten, der Widerstandsleiter
a aus einem biegsamen Isolierstoff geeigneter Festigkeit sowie geeigneter Elastizität
und Stärke gebildet, um einerseits wegen der besseren Anpassungsmöglichkeiten der
Ausdehnungskoeffizienten und andererseits wegen des erforderlichen schnellen Temperaturausgleichs
eine Sicherung gegen das Abheben der Widerstandsschicht von der Unterlage zu erreichen,
wie sie bei Stromstößen auftreten kann.
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Durch die ganz spezielle Ausführung des Leiters a der einlagigen runden
Spule kann man die einfache einlagige Spule auch großer Durchmesser zur Herstellung
von insbesondere hochohmigen Hochspannungswiderständen mit kleiner Zeitkonstante
oder, mit anderen Worten, mit kleiner Kapazität und kleiner Selbstinduktion verwenden.
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Durch die Anwendung dieser Lehre zum technischen Handeln wird ein
von den bekannten als einlagige Spule gewickelten Rohrwiderständen völlig verschiedener
Verlauf der magnetischen Feldlinien erzielt und insbesondere die wirksame Wendelwindungszahl
pro Meter Wendellänge so weitgehend herabgesetzt, daß es ermöglicht wird, auf wirtschaftliche
Weise Rohrwiderstände aller in der Praxis benötigten Durchmesser zu fertigen, die
sowohl eine hohe Überschlagssicherheit als auch den notwendigen Schutz gegen Koronarverluste
des Gesamtwiderstandes aufweisen und bei denen durch den günstigen Verlauf der magnetischen
Feldlinien auch bei großen Rohrdurchmessern sowohl eine kleine Zeitkonstante als
auch eine hohe Spannungsfestigkeit in der Fortschrittsrichtung des Mäanders und
in der Richtung der Wendelachse erreicht wird.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein abgewandelter Widerstand
dadurch gekennzeichnet, daß ein Gewebeband mit einer Kette aus fadenförmigem Isolierstoff
und einem Einschlag aus einem Isolierstoffaden, auf den das Widerstandsmaterial
als fortlaufende Schicht oder in Form einer Wendel aufgebracht ist, in Fortschrittsrichtung
des so gebildeten Mäanders zu einer Wendel geformt ist. Gewebte Widerstände haben
nämlich eine besonders hohe Spannungsfestigkeit in Richtung der Gewebekette und
damit auch in der Fortschrittsrichtung des Mäanders. Während man hochohmige Widerstände,
die durch Aufdampfen von dünnen Metallschichten oder Niederschlagen von dünnen Kohleschichten
auf nichtmetallischen Trägern, z. B. Porzellanstäben, hergestellt sind und bei denen
die Widerstandsschicht durch schraubenförmige Einschnitte unterteilt ist, im Durchschnitt
mit maximal etwa 300 Volt pro Zentimeter Trägerlänge dauernd belasten kann, lassen
sich Widerstandsgewebe mit einer Spannung bis zu einem zehnfach höheren Betrag dauernd
belasten.
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Als biegsame Isolierstoffträger werden in Ausbildung der Erfindung
alle faden- oder bandförmigen Isolierstoffe verwendet, die eine hinreichende Festigkeit
aufweisen. Die Träger werden dabei sowohl aus geeigneten faserförmigen Stoffen anorganischer
Natur, wie z. B. Asbestfasern, Glasseidenfasern, Quarzseidenfasern u. dgl., als
auch aus Faserstoffen organischer Natur, wie Baumwolle, Seide u. dgl., und ebenso
aus geeigneten Kunststoffen, wie Superpolyamid, Polyacrylnitril, Kunstseide u. dgl.,
aufgebaut. Soweit sie in
Fadenform gebracht werden, werden sie gegebenenfalls
nach der Herstellung des Fadens mit einem geeigneten biegsamen und genügend elektrisch
isolierenden Überzug oder einer Imprägnierung oder einer Kombination von beiden
versehen, um eine für den jeweiligen Verwendungszweck günstige Form der Oberflächenbeschaffenheit
zu erreichen. Soweit sie in Bandform gebracht werden, wird die Herstellung auf alle
die Arten vorgenommen, die normalerweise in der Technik zur Herstellung von bandförmigen
Isolierstoffen angewandt werden. Auch in diesem Falle wird j e nach den Anforderungen
gegebenenfalls noch eine Imprägnierung oder ein Überzug von geeigneten, genügend
biegsamen Stoffen, die günstige Hafteigenschaften für die aufzubringenden Widerstandsmaterialschichten
aufweisen, vorgenommen.
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Nach der Vorbereitung der Isolierstoffträger wird auf diese das Widerstandsmaterial
aufgedampft oder anderweitig aufgetragen und gegebenenfalls über das Ganze eine
Schutzschicht aus einem geeigneten Isoliermaterial aufgebracht.
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Bei einem Verfahren nach der Erfindung wird auf einem fadenförmigen
Isolierstoffträger unter Verwendung einer mit der Fortbewegung des Isolierstoffträgers
zwangläufig gekuppelten rotierenden Schablone die aus der Dampfphase niedergeschlagene
Metallschicht in Form einer auf dem Faden liegenden Wendel aufgetragen, worauf der
Faden mäanderartig eingewebt wird.
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In einem anderen Falle wird zur Fertigung des Leiters a auf einem
bandförmigen Isolierstoffträger das Widerstandsmaterial gleich in Form eines in
der Bandrichtung fortschreitenden Mäanders angeordnet und z. B. in bekannter Weise
unter Verwendung einer entsprechend geformten Schablone als dünne Metallschicht
aus der Dampfphase niedergeschlagen, oder in einem anderen Falle wird eine dünne
leitende Schicht durch ein entsprechendes Werkzeug in Lack-oder Pastenform aufgebracht.
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Der in der beschriebenen Weise mit dem Widerstandsmaterial versehene
bandförmige Isolierstoffträger wird dann, in Bandrichtung zu einer Wendel geformt,
auf einen geeigneten rohrförmigen Tragkörper gewickelt. Dabei kann parallel zu dem
das Widerstandsmaterial tragenden Isolierstoffträger ein Isolierstoffband zur Sicherung
eines bestimmten Abstandes als Zwischenlage zwischen den einzelnen Schraubenwindungen
mit aufgewickelt werden. Bei einer anderen Ausführung wird die Breite des aufgetragenen
Mäanders aus Widerstandsmaterial schmaler gewählt als der bandförmige Isolierstoffträger,
so daß sich das Mitaufwickeln eines Isolierstoffbandes erübrigt. Dieser Fall ist
von besonderer Bedeutung für die Fertigung von Rohrwiderständen, die keinen besonderen
rohrförmigen Tragkörper erfordern.
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Bei dieser Art der Fertigung werden die, wie vorstehend beschrieben,
mit dem Widerstandsmaterial versehenen bandförmigen Isolierstoffträger in ihrer
Bandrichtung zu einer Schraubenlinie gebogen, wobei jeweils der rechte widerstandsmaterialfreie
Rand der einen Wendelwindung mit dem linken freien Rand der folgenden Wendelwindung
verbunden wird, so daß auf diese Weise ein Rohr entsteht. Solche Rohrwiderstände
sind von besonderer Bedeutung für die Hochspannungstechnik, da man mit Hilfe dieser
Rohrwiderstände die in Hochspannungskreisen auftretenden Sprühverluste an den Widerständen
weitestgehend heruntersetzen und damit einmal Zerstörungen von empfindlichem Widerstandsmaterial
vorbeugen und außerdem Fälschungen von Meßresultaten durch Sprühverluste vermeiden
kann.
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Solche Rohrwiderstände sind auch von besonderer Bedeutung für die
Meßtechnik. Man kann bei dem Verfahren zur Fertigung der Rohre beliebig breite Bänder
verwenden, um Rohrwiderstände beliebiger Durchmesser herzustellen. Da durch die
Veränderung des auf dem Band angebrachten Mäanders die Zeitkonstante verändert werden
kann, kann man auf diese Weise Widerstände mit kleiner Zeitkonstante erzeugen. Bei
diesen Widerständen muß der Verlustwinkel des Widerstandes bzw. die den Verlustwinkel
angenähert bestimmende Größe T = R - R C, die als Zeitkonstante des Widerstandes
bezeichnet wird, weitgehend gleich Null gemacht werden, d. h. also, es muß das Verhältnis
Selbstinduktion des Widerstandes zum Ohmschen Widerstand gleich dem Produkt aus
dem Ohmschen Widerstand und der Kapazität des Widerstandes sein.
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Gleichzeitig bietet diese Art der Fertigung von Rohrwiderständen für
Hochspannungszwecke den Vorteil, daß man durch die Verwendung schmaler Mäanderbänder
zu sehr hoher Spannungsfestigkeit in der Mäanderfortschrittsrichtung kommt.